Multi-level agent-based modeling - A literature survey

During last decade, multi-level agent-based modeling has received significant and dramatically increasing interest. In this article we present a comprehensive and structured review of literature on the subject. We present the main theoretical contributions and application domains of this concept, with an emphasis on social, flow, biological and biomedical models.Comment: v2. Ref 102 added. v3-4 Many refs and text added v5-6 bibliographic statistics updated. v7 Change of the name of the paper to reflect what it became, many refs and text added, bibliographic statistics update

Toward Accessible Multilevel Modeling in Systems Biology: A Rule-based Language Concept

Promoted by advanced experimental techniques for obtaining high-quality data and the steadily accumulating knowledge about the complexity of life, modeling biological systems at multiple interrelated levels of organization attracts more and more attention recently. Current approaches for modeling multilevel systems typically lack an accessible formal modeling language or have major limitations with respect to expressiveness. The aim of this thesis is to provide a comprehensive discussion on associated problems and needs and to propose a concrete solution addressing them

Enabling advanced simulation scenarios with new software engineering techniques.

International audienceIn this paper, we introduce new techniques in the field of simulation to help in the process of building advanced simulation scenarios using preexisting simulation components. The first technique consists in using the Aspect Oriented Programming paradigm to capture some of the private data of an existing model component. The second one is an Architecture Description Language (ADL) designed for the Fractal component model, that offers definition overloading and extension mechanisms similar to those found in traditional Object Oriented languages.The benefits of using both techniques are illustrated by simple use cases of network security studies

Enabling advanced simulation scenarios with new software engineering techniques.

International audienceIn this paper, we introduce new techniques in the field of simulation to help in the process of building advanced simulation scenarios using preexisting simulation components. The first technique consists in using the Aspect Oriented Programming paradigm to capture some of the private data of an existing model component. The second one is an Architecture Description Language (ADL) designed for the Fractal component model, that offers definition overloading and extension mechanisms similar to those found in traditional Object Oriented languages.The benefits of using both techniques are illustrated by simple use cases of network security studies

Simulation Software as a Service and Service-Oriented Simulation Experiment

Simulation software is being increasingly used in various domains for system analysis and/or behavior prediction. Traditionally, researchers and field experts need to have access to the computers that host the simulation software to do simulation experiments. With recent advances in cloud computing and Software as a Service (SaaS), a new paradigm is emerging where simulation software is used as services that are composed with others and dynamically influence each other for service-oriented simulation experiment on the Internet. The new service-oriented paradigm brings new research challenges in composing multiple simulation services in a meaningful and correct way for simulation experiments. To systematically support simulation software as a service (SimSaaS) and service-oriented simulation experiment, we propose a layered framework that includes five layers: an infrastructure layer, a simulation execution engine layer, a simulation service layer, a simulation experiment layer and finally a graphical user interface layer. Within this layered framework, we provide a specification for both simulation experiment and the involved individual simulation services. Such a formal specification is useful in order to support systematic compositions of simulation services as well as automatic deployment of composed services for carrying out simulation experiments. Built on this specification, we identify the issue of mismatch of time granularity and event granularity in composing simulation services at the pragmatic level, and develop four types of granularity handling agents to be associated with the couplings between services. The ultimate goal is to achieve standard and automated approaches for simulation service composition in the emerging service-oriented computing environment. Finally, to achieve more efficient service-oriented simulation, we develop a profile-based partitioning method that exploits a system’s dynamic behavior and uses it as a profile to guide the spatial partitioning for more efficient parallel simulation. We develop the work in this dissertation within the application context of wildfire spread simulation, and demonstrate the effectiveness of our work based on this application

A Reference Structure for Modular Model-based Analyses

Kontext: In dieser Arbeit haben wir die Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit von modellbasierten Analysen untersucht. Darum untersuchten wir die Wechselbeziehungen zwischen Modellen und Analysen, insbesondere die Struktur und Abhängigkeiten von Artefakten und die Dekomposition und Komposition von modellbasierten Analysen. Herausforderungen: Softwareentwickler verwenden Modelle von Softwaresystemen, um die Evolvierbarkeit und Wiederverwendbarkeit eines Architekturentwurfs zu bestimmen. Diese Modelle ermöglichen die Softwarearchitektur zu analysieren, bevor die erste Zeile Code geschreiben wird. Aufgrund evolutionärer Veränderungen sind modellbasierte Analysen jedoch auch anfällig für eine Verschlechterung der Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit. Diese Probleme lassen sich auf die Ko-Evolution von Modellierungssprache und Analyse zurückführen. Der Zweck einer Analyse ist die systematische Untersuchung bestimmter Eigenschaften eines zu untersuchenden Systems. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Softwareentwickler neue Eigenschaften eines Softwaresystems analysieren wollen. In diesem Fall müssen sie Merkmale der Modellierungssprache und die entsprechenden modellbasierten Analysen anpassen, bevor sie neue Eigenschaften analysieren können. Merkmale in einer modellbasierten Analyse sind z.\,B. eine Analysetechnik, die eine solche Qualitätseigenschaft analysiert. Solche Änderungen führen zu einer erhöhten Komplexität der modellbasierten Analysen und damit zu schwer zu pflegenden modellbasierten Analysen. Diese steigende Komplexität verringert die Verständlichkeit der modellbasierten Analysen. Infolgedessen verlängern sich die Entwicklungszyklen, und die Softwareentwickler benötigen mehr Zeit, um das Softwaresystem an veränderte Anforderungen anzupassen. Stand der Technik: Derzeitige Ansätze ermöglichen die Kopplung von Analysen auf einem System oder über verteilte Systeme hinweg. Diese Ansätze bieten die technische Struktur für die Kopplung von Simulationen, nicht aber eine Struktur wie Komponenten (de)komponiert werden können. Eine weitere Herausforderung beim Komponieren von Analysen ist der Verhaltensaspekt, der sich darin äußert, wie sich die Analysekomponenten gegenseitig beeinflussen. Durch die Synchronisierung jeder beteiligten Simulation erhöht die Modularisierung von Simulationen den Kommunikationsbedarf. Derzeitige Ansätze erlauben es, den Kommunikationsaufwand zu reduzieren; allerdings werden bei diesen Ansätzen die Dekomposition und Komposition dem Benutzer überlassen. Beiträge: Ziel dieser Arbeit ist es, die Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit von modellbasierten Analysen zu verbessern. Zu diesem Zweck wird die Referenzarchitektur für domänenspezifische Modellierungssprachen als Grundlage genommen und die Übertragbarkeit der Struktur der Referenzarchitektur auf modellbasierte Analysen untersucht. Die geschichtete Referenzarchitektur bildet die Abhängigkeiten der Analysefunktionen und Analysekomponenten ab, indem sie diese bestimmten Schichten zuordnet. Wir haben drei Prozesse für die Anwendung der Referenzarchitektur entwickelt: (i) Refactoring einer bestehenden modellbasierten Analyse, (ii) Entwurf einer neuen modellbasierten Analyse und (iii) Erweiterung einer bestehenden modellbasierten Analyse. Zusätzlich zur Referenzarchitektur für modellbasierte Analysen haben wir wiederkehrende Strukturen identifiziert, die zu Problemen bei der Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit führen; in der Literatur werden diese wiederkehrenden Strukturen auch als Bad Smells bezeichnet. Wir haben etablierte modellbasierte Analysen untersucht und dreizehn Bad Smells identifiziert und spezifiziert. Neben der Spezifizierung der Bad Smells bieten wir einen Prozess zur automatischen Identifizierung dieser Bad Smells und Strategien für deren Refactoring, damit Entwickler diese Bad Smells vermeiden oder beheben können. In dieser Arbeit haben wir auch eine Modellierungssprache zur Spezifikation der Struktur und des Verhaltens von Simulationskomponenten entwickelt. Simulationen sind Analysen, um ein System zu untersuchen, wenn das Experimentieren mit dem bestehenden System zu zeitaufwändig, zu teuer, zu gefährlich oder einfach unmöglich ist, weil das System (noch) nicht existiert. Entwickler können die Spezifikation nutzen, um Simulationskomponenten zu vergleichen und so identische Komponenten zu identifizieren. Validierung: Die Referenzarchitektur für modellbasierte Analysen, haben wir evaluiert, indem wir vier modellbasierte Analysen in die Referenzarchitektur überführt haben. Wir haben eine szenariobasierte Evaluierung gewählt, die historische Änderungsszenarien aus den Repositories der modellbasierten Analysen ableitet. In der Auswertung können wir zeigen, dass sich die Evolvierbarkeit und Verständlichkeit durch die Bestimmung der Komplexität, der Kopplung und der Kohäsion verbessert. Die von uns verwendeten Metriken stammen aus der Informationstheorie, wurden aber bereits zur Bewertung der Referenzarchitektur für DSMLs verwendet. Die Bad Smells, die durch die Co-Abhängigkeit von modellbasierten Analysen und ihren entsprechenden DSMLs entstehen, haben wir evaluiert, indem wir vier modellbasierte Analysen nach dem Auftreten unserer schlechten Gerüche durchsucht und dann die gefundenen Bad Smells behoben haben. Wir haben auch eine szenariobasierte Auswertung gewählt, die historische Änderungsszenarien aus den Repositories der modellbasierten Analysen ableitet. Wir können zeigen, dass die Bad Smells die Evolvierbarkeit und Verständlichkeit negativ beeinflussen, indem wir die Komplexität, Kopplung und Kohäsion vor und nach der Refaktorisierung bestimmen. Den Ansatz zum Spezifizieren und Finden von Komponenten modellbasierter Analysen haben wir evaluiert, indem wir Komponenten von zwei modellbasierten Analysen spezifizieren und unseren Suchalgorithmus verwenden, um ähnliche Analysekomponenten zu finden. Die Ergebnisse der Evaluierung zeigen, dass wir in der Lage sind, ähnliche Analysekomponenten zu finden und dass unser Ansatz die Suche nach Analysekomponenten mit ähnlicher Struktur und ähnlichem Verhalten und damit die Wiederverwendung solcher Komponenten ermöglicht. Nutzen: Die Beiträge unserer Arbeit unterstützen Architekten und Entwickler bei ihrer täglichen Arbeit, um wartbare und wiederverwendbare modellbasierte Analysen zu entwickeln. Zu diesem Zweck stellen wir eine Referenzarchitektur bereit, die die modellbasierte Analyse und die domänenspezifische Modellierungssprache aufeinander abstimmt und so die Koevolution erleichtert. Zusätzlich zur Referenzarchitektur bieten wir auch Refaktorisierungsoperationen an, die es Architekten und Entwicklern ermöglichen, eine bestehende modellbasierte Analyse an die Referenzarchitektur anzupassen. Zusätzlich zu diesem technischen Aspekt haben wir drei Prozesse identifiziert, die es Architekten und Entwicklern ermöglichen, eine neue modellbasierte Analyse zu entwickeln, eine bestehende modellbasierte Analyse zu modularisieren und eine bestehende modellbasierte Analyse zu erweitern. Dies geschieht natürlich so, dass die Ergebnisse mit der Referenzarchitektur konform sind. Darüber hinaus ermöglicht unsere Spezifikation den Entwicklern, bestehende Simulationskomponenten zu vergleichen und sie bei Bedarf wiederzuverwenden. Dies erspart den Entwicklern die Neuimplementierung von Komponenten

Fifth Conference on Artificial Intelligence for Space Applications

The Fifth Conference on Artificial Intelligence for Space Applications brings together diverse technical and scientific work in order to help those who employ AI methods in space applications to identify common goals and to address issues of general interest in the AI community. Topics include the following: automation for Space Station; intelligent control, testing, and fault diagnosis; robotics and vision; planning and scheduling; simulation, modeling, and tutoring; development tools and automatic programming; knowledge representation and acquisition; and knowledge base/data base integration

Integrated Simulation and Optimization for Decision-Making under Uncertainty with Application to Healthcare

Many real applications require decision-making under uncertainty. These decisions occur at discrete points in time, influence future decisions, and have uncertainties that evolve over time. Mean-risk stochastic integer programming (SIP) is one optimization tool for decision problems involving uncertainty. However, it may be challenging to develop a closed-form objective for some problems. Consequently, simulation of the system performance under a combination of conditions becomes necessary. Discrete event system specification (DEVS) is a useful tool for simulation and evaluation, but simulation models do not naturally include a decision-making component. This dissertation develops a novel approach whereby simulation and optimization models interact and exchange information leading to solutions that adapt to changes in system data. The integrated simulation and optimization approach was applied to the scheduling of chemotherapy appointments in an outpatient oncology clinic. First, a simulation of oncology clinic operations, DEVS-CHEMO, was developed to evaluate system performance from the patient and managements perspectives. Four scheduling algorithms were developed for DEVS-CHEMO. Computational results showed that assigning patients to both chairs and nurses improved system performance by reducing appointment duration by 3%, reducing waiting time by 34%, and reducing nurse overtime by 4%. Second, a set of mean-risk SIP models, SIP-CHEMO, was developed to determine the start date and resource assignments for each new patients appointment schedule. SIP-CHEMO considers uncertainty in appointment duration, acuity levels, and resource availability. The SIP-CHEMO models utilize the expected excess and absolute semideviation mean-risk measures. The SIP-CHEMO models increased throughput by 1%, decreased waiting time by 41%, and decreased nurse overtime by 25% when compared to DEVS-CHEMOs scheduling algorithms. Finally, a new framework integrating DEVS and SIP, DEVS-SIP, was developed. The DEVS-CHEMO and SIP-CHEMO models were combined using the DEVS-SIP framework to create DEVS-SIP-CHEMO. Appointment schedules were determined using SIP-CHEMO and implemented in DEVS-CHEMO. If the system performance failed to meet predetermined stopping criteria, DEVS-CHEMO revised SIP-CHEMO and determined a new appointment schedule. Computational results showed that DEVS-SIP-CHEMO is preferred to using simulation or optimization alone. DEVSSIP-CHEMO held throughput within 1% and improved nurse overtime by 90% and waiting time by 36% when compared to SIP-CHEMO alone

Hierarchical architecture design and simulation environment

The Hierarchical Architectural design and Simulation Environment (HASE)is intended as a flexible tool for computer architects who wish to experiment with alternative architectural configurations and design parameters. HASE is both a design environment and a simulator. Architecture components are described by a hierarchical library of objects defined in terms of an object oriented simulation language. HASE instantiates these objects to simulate and animate the execution of a computer architecture. An event trace generated by the simulator therefore describes the interaction between architecture components, for example, fetch stages, address and data buses, sequencers, instruction buffers and register files. The objects can model physical components at different abstraction levels, eg. PMS (processor memory switch), ISP (instruction set processor) and RTL (register transfer level). HASE applies the concepts of inheritance, encapsulation and polymorphism associated with object orientation, to simplify the design and implementation of an architecture simulation that models component operations at different abstraction levels. For example, HASE can probe the performance of a processor's floating point unit, executing a multiplication operation, at a lower level of abstraction, i.e. the RTL, whilst simulating remaining architecture components at a PMS level of abstraction. By adopting this approach, HASE returns a more meaningful and relevant event trace from an architecture simulation. Furthermore, an animator visualises the simulation's event trace to clarify the collaborations and interactions between architecture components. The prototype version of HASE is based on GSS (Graphical Support System), and DEMOS (Discrete Event Modelling On Simula)